CN115523865A - 一种光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法，属于三维测量技术领域。该装置是在反射全息光路中利用显微物镜实现大曲率照明和放大成像，通过样品空间平移实现视场拓展和波前曲率连续调节，采用全息方法获取样品平移时的反射光信息和照明光分布，进而利用这些反射光信息和照明光分布数值重构出待测光学元件的三维透过率分布，实现光学元件激光损伤的三维测量。本发明能够测量出光学元件激光损伤点附近的透过率和折射率的三维分布，可为光学元件的激光损伤修复提供参数依据。

Description

一种光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法，属于三维测量技术领域。

背景技术

激光是原子受激辐射产生的光，众所周知，高强度的激光会对人体眼睛、皮肤等造成伤伤，同样的，高强度的激光也会对各种光学元件造成损伤，称为激光损伤。作为各种激光系统的主要构成部件，透镜和晶体等光学元件的激光损伤可对强激光装置的负载能力造成严重影响，这些激光损伤对装置出射光束的强度和相位产生调制，使其在后续的传播过程中产生一些强度很高的小尺寸亮斑，从而造成光学元件因局部光强度超过损伤阈值而发生损伤。此外，激光系统中各光学元件激光损伤的发生具有明显的级联效应，一个光学元件发生激光损伤后，损伤点的衍射效应会引起更多的下游元件发生损伤，造成激光装置负载能力的快速下降。因此及时发现光学元件的激光损伤可以在损伤尺寸较小时对其进行修复，以避免不可逆损伤和级联损伤的发生。但由于高功率激光损伤的复杂性，到目前为止还没有理想的测量方法能对光学元件的激光损伤进行量化的高精度三维测量。

目前，高功率激光领域最常用的损伤检测方法是暗场成像法，暗场成像法光路简单且使用方便，可通过手持光源和目视观测的方法对光学元件进行损伤在线检测，因此广泛用于高功率激光领域。但是暗场成像法仅能确定出光学元件中激光损伤点的个数、大致位置和大小，而不能对损伤进行精确定位，也不能量化地测量出损伤对元件透射强度和透射波前的改变，因此暗场成像法只能作为查看元件状态的目视观测工具，而不能用来对损伤情况进行精准评估。哈特曼波前传感器和干涉仪等传统测量仪器可以测量透射光的相位变化，配合强度成像法，理论上均可以测量出光学元件激光损伤点附近的透过率和透过波前的变化。但哈特曼传感器的分辨率过低，不适用于小尺寸激光损伤的检测；而干涉仪虽然其精度和分辨率都很高，但由于自身体积过大和对环境要求高而使用不便。而且这两种测量技术都是基于二维测量，不能提供光学元件激光损伤的三维分布信息。

CN102156133A公开了一种KDP晶体高功率激光体损伤三维测量方法，该方法通过多角度旋转KDP样品，获取在不同视角下的二维相位分布，再利用傅里叶逆变换方法重构出三维分布，但其本质上是由在聚焦位置的清晰图像和其他位置的模糊图像共同组成，所以本质上没法获得准确的清晰图像，进而重构出的三维分布也不准确。CN111879708A提供了一种测量激光损伤三维结构的装置及方法，通过在每一个深度位置采集四幅干涉相移图像并采用四步相移法解相位解出对应深度位置的相位，如此获取一组不同深度位置的相位分布，从而重构出三维相位分布。该方法精度较高，但因其采用四步相移法，所以需要添加压电陶瓷来改变参考光路的相移量，装置相对复杂。

发明内容

为了在保证激光损伤三维测量精度的前提下尽可能降低测量装置的复杂度，本发明提供了一种使用方便简单且测量精度高的激光损伤三维测量装置和方法，能够测量出光学元件激光损伤点附近的透过率和折射率的三维分布，为光学元件的激光损伤修复提供参数依据。

一种光学元件激光损伤三维测量装置，所述装置包括激光器1，沿所述激光器1发出的激光束方向放置分束器2，所述分束器2将激光束分成反射光束和透射光束；

沿所述反射光束方向依次设置第一光学衰减片3和第一反射镜4；所述第一反射镜4用于将所述反射光束方向调整为与所述透射光束方向平行，沿所述反射光束调整后的方向依次设置第一空间滤波器5、第一准直透镜6和第二反射镜7，根据所述第二反射镜7反射后光束的方向设置成像设备8；

沿所述透射光束方向依次设置第二光学衰减片9、第二空间滤波器10、第二准直透镜11、聚焦透镜12、小孔光阑13、第一长工作距物镜14、分光棱镜15，在所述分光棱镜15分光后的两个方向分别设置平移台16和第二长工作距物镜17，并调整所述成像设备8的位置使得所述成像设备8能够接收到通过所述第二长工作距物镜17的光束；所述平移台16用于放置待测光学元件；

所述第一空间滤波器5、第一准直透镜6、第二空间滤波器10、第二准直透镜11、聚焦透镜12、小孔光阑13、第一长工作距物镜14、分光棱镜15和第二长工作距物镜17均与激光束垂直且中心保持在光轴上。

可选的，所述装置在测量过程中，待测光学元件固定在所述平移台16上，所述平移台16在与轴向方向垂直的平面内沿着一维方向等间距移动，所述成像设备8在所述的平移台16移动时记录一组相对应的全息干涉图。

可选的，所述装置还包括一个平面反射镜；测量过程中，将待测光学元件替换成所述平面反射镜固定在所述的平移台16上，所述的成像设备8记录一幅照明光的全息干涉图。

可选的，所述第一长工作距物镜14和第二长工作距物镜17的焦距不小于10毫米、工作距离不小于30.5毫米。

可选的，所述小孔光阑13的直径不大于5毫米。

可选的，所述成像设备8的最小像素单元小于等于7.4微米，分辨率至少为2048×2048。

可选的，所述平移台16为电控平移台。

本申请还提供一种光学元件激光损伤三维测量方法，所述方法将待测光学元件视为由若干层“光学切片”组成，其中每层“光学切片”在光轴方向有着相同的深度，且同时具有均匀的折射率和强度透过率，所述方法基于上述光学元件激光损伤三维测量装置，通过将待测光学元件固定在所述平移台16上进行等间距移动获取到每层“光学切片”的复振幅信息，根据各层“光学切片”的复振幅信息得到所述待测光学元件的激光损伤三维分布。

可选的，所述方法包括：

步骤1：打开所述激光器1，待测光学元件固定在所述平移台16上，所述平移台16在平面内沿着一维方向等间距移动N次，N为奇数，所述成像设备8记录相对应的一组全息干涉图，强度标记为I(x,y；n)，n＝1,2,…N；其中，x和y表示第n次移动后所述成像设备8采集的干涉图的空间坐标分布；

每次等间距移动的距离固定为所述成像设备8的最小像素单元；

步骤2：对全息干涉图进行傅里叶变换，

表示对I(x,y；n)进行傅里叶变换，f_In为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_In1和-1级频谱f_In2；

步骤3：设定一个零矩阵f_Inc，矩阵大小与f_In相同，将+1级频谱f_In1从f_In中取出，在f_Inc中心区域范围大小与f_In1相同的区域用f_In1替代，得到更新的频谱矩阵f’_Inc；

步骤4：所述更新的频谱矩阵f’_Inc传输距离d到待测光学元件表面，得到待测光学元件表面的反射光复振幅分布为

表示对f’_Inc衍射传输距离d；

步骤5：将待测光学元件替换成平面反射镜固定在所述的平移台16上，所述的成像设备8记录一幅全息干涉图，强度标记为I_illu(x,y)；

步骤6：采用跟步骤2至步骤4相同的方法得到照明光的复振幅分布，作为待测光学元件表面的照明光复振幅分布标记为E_{illu_1}(x,y)；

步骤7：将步骤6中得到的照明光复振幅E_{illu_1}(x,y)衍射传输距离k*Δz，得到光学元件第k层的照明光复振幅分布为

Δz表示相邻“光学切片”的距离；

步骤8：去除待测光学元件表面复振幅分布E(x,y；n)在光学元件第k层的照明光，得到R(x,y；n)＝E(x,y；n)/E_{illu_k}(x,y)(n＝1,2,…N)；

步骤9：以R(x,y；(N+1)/2)的复振幅为基准区域，将R(x,y；n)(n＝1,2,…N)沿着一维方向平移((N+1)/2-n)个像素得到R’(x,y；n)，n＝1,2,…N，从而保证R’(x,y；n)对应待测光学元件的同一区域；

步骤10：将R’(x,y；n)进行累加求和，得到待测光学元件第k层的复振幅信息为

步骤11：重复步骤7至步骤10获取待测光学元件每一层的复振幅信息，进而得到待测光学元件在不同深度的成像结果，获得待测光学元件激光损伤的三维分布。

本发明有益效果是：

(1)本发明公开的光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法能够将激光损伤光学元件的复振幅信息按深度有效分离出来，从而实现三维测量，具有装置结构简单、测量方便且测量精度高等优点。

(2)本发明公开的光学元件激光损伤三维测量装置和测量方法适用于透镜和晶体等光学元件，能够对这类光学元件的激光损伤点及其周围区域的透过率变化、折射率变化和损伤的三维形貌等进行精确测量，有助于对光学元件损伤产生的原因进行分析，可为光学元件的激光损伤修复提供参数依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明光学元件激光损伤三维测量装置图；

其中，1-激光器，2-分束器，3-第一光学衰减片，4-第一反射镜，5-第一空间滤波器，6-第一准直透镜，7-第二反射镜，8-成像设备，9-第二光学衰减片，10-第二空间滤波器，11-第二准直透镜，12-聚焦透镜，13-小孔光阑，14-第一长工作距物镜，15-分光棱镜，16-平移台，17-第二长工作距物镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种光学元件激光损伤三维测量装置，参见图1，所述装置包括：激光器1，沿该激光器的激光束方向放置分束器2，该分束器2将光束分成反射光束和透射光束；

沿反射光束方向依次设置第一光学衰减片3、第一反射镜4、第一空间滤波器5、第一准直透镜6和第二反射镜7；根据所述第二反射镜7反射后光束的方向设置成像设备8；

沿透射光束方向依次设置第二光学衰减片9、第二空间滤波器10、第二准直透镜11、聚焦透镜12、小孔光阑13、第一长工作距物镜14、分光棱镜15、平移台16、第二长工作距物镜17，调整所述成像设备8的位置使得成像设备8能够接收到通过第二长工作距物镜17的光束；所述平移台16用于放置待测光学元件；

成像设备8，平移台16均与计算机连接，以便后续通过计算机精确控制平移台16等间距移动，成像设备8对应记录全息图。

上述所有的光学元件均与激光束垂直且中心保持在光轴上。第一和第二长工作距物镜的焦距至少为10毫米、工作距离至少为30.5毫米，小孔光阑的直径不大于5毫米，可根据实际情况选择相应的小孔光阑，比如直径为2毫米的小孔光阑，成像设备8的最小像素单元小于等于7.4微米、分辨率至少为2048×2048。

该装置的工作过程为：打开激光器1，将待测光学元件置于平移台16上，调节第一光学衰减片3和第二光学衰减片9到合适的位置，通过计算机控制平移台16在与轴向方向(图1中z方向为轴向方向)垂直的平面内沿着一维方向等间距平移，成像设备8记录跟光学元件相关的一组全息图；然后，将待测光学元件替换成平面反射镜固定在平移台16上，成像设备8记录跟照明光相关的一幅全息图。采集的全息数据可用于光学元件激光损伤的三维分布测量。

复振幅信息可反映出物体的结构信息，因此通过计算出的各‘切片’层的复振幅即能反映出光学元件激光损伤的三维分布。

实施例二

本实施例提供一种光学元件激光损伤三维测量测量方法，所述方法基于实施例一提供的光学元件激光损伤三维测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

1)打开所述的激光器1，待测损伤光学元件固定在所述的平移台16上，所述的平移台16在平面内沿着一维方向等间距移动N次，所述的成像设备8记录下相对应的一组全息干涉图，强度标记为I(x,y；n)(n＝1,2,…N)；如图1所示，平移台16在平面内沿着x或y方向等间距移动，每次等间距移动的距离固定为成像设备8的最小像素单元。

2)对全息干涉图进行傅里叶变换，

表示对I(x,y；n)进行傅里叶变换，f_In为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_In1和-1级频谱f_In2；

3)设定一个零矩阵f_Inc，矩阵大小与f_In相同，将+1级频谱f_In1从f_In中取出，在f_Inc中心区域范围大小与f_In1相同的区域用f_In1替代，得到更新的频谱矩阵f’_Inc；

4)所述的频谱矩阵f’_Inc传输距离d到待测损伤光学元件表面，得到光学元件表面的反射光复振幅分布为E(x,y；n)＝F_d{f’_Inc}(n＝1,2,…N)，

表示对f’_Inc衍射传输距离d；

5)将光学元件替换成平面反射镜固定在所述的平移台16上，所述的成像设备8记录下一幅全息干涉图，强度标记为I_illu(x,y)；

6)采用跟2)-4)相同的方法得到照明光的复振幅分布，作为光学元件上表面的照明光复振幅分布标记为E_{illu_1}(x,y)；

7)将6)中得到的照明光复振幅E_{illu_1}(x,y)衍射传输距离k*Δd毫米，得到光学元件第k层的照明光复振幅分布为

8)去除光学元件的反射光复振幅E(x,y；n)在光学元件第k层的照明光，得到R(x,y；n)＝E(x,y；n)/E_{illu_k}(x,y)(n＝1,2,…N)；

9)以R(x,y；(N+1)/2)的复振幅为基准区域，将R(x,y；n)(n＝1,2,…N)沿着一维(x)方向平移((N+1)/2-n)个像素得到R’(x,y；n)(n＝1,2,…N)，从而保证R’(x,y；n)对应物体的同一区域；

10)将R’(x,y；n)进行累加求和，得到在玻璃光学元件第k层的复振幅信息为

11)重复步骤7)-10)获取待测光学元件每一层的复振幅信息，进而得到待测光学元件在不同深度的成像结果，获得待测光学元件激光损伤的三维分布。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述装置包括激光器(1)，沿所述激光器(1)发出的激光束方向放置分束器(2)，所述分束器(2)将激光束分成反射光束和透射光束；

沿所述反射光束方向依次设置第一光学衰减片(3)和第一反射镜(4)；所述第一反射镜(4)用于将所述反射光束方向调整为与所述透射光束方向平行，沿所述反射光束调整后的方向依次设置第一空间滤波器(5)、第一准直透镜(6)和第二反射镜(7)，根据所述第二反射镜(7)反射后光束的方向设置成像设备(8)；

沿所述透射光束方向依次设置第二光学衰减片(9)、第二空间滤波器(10)、第二准直透镜(11)、聚焦透镜(12)、小孔光阑(13)、第一长工作距物镜(14)、分光棱镜(15)，在所述分光棱镜(15)分光后的两个方向分别设置平移台(16)和第二长工作距物镜(17)，并调整所述成像设备(8)的位置使得所述成像设备(8)能够接收到通过所述第二长工作距物镜(17)的光束；所述平移台(16)用于放置待测光学元件；

所述第一空间滤波器(5)、第一准直透镜(6)、第二空间滤波器(10)、第二准直透镜(11)、聚焦透镜(12)、小孔光阑(13)、第一长工作距物镜(14)、分光棱镜(15)和第二长工作距物镜(17)均与激光束垂直且中心保持在光轴上。

2.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述装置在测量过程中，待测光学元件固定在所述平移台(16)上，所述平移台(16)在与轴向方向垂直的平面内沿着一维方向等间距移动，所述成像设备(8)在所述的平移台(16)移动时记录一组相对应的全息干涉图。

3.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述装置还包括一个平面反射镜；测量过程中，将待测光学元件替换成所述平面反射镜固定在所述的平移台(16)上，所述的成像设备(8)记录一幅照明光的全息干涉图。

4.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述第一长工作距物镜(14)和第二长工作距物镜(17)的焦距不小于10毫米、工作距离不小于30.5毫米。

5.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述小孔光阑(13)的直径为不大于5毫米。

6.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述成像设备(8)的最小像素单元小于等于7.4微米，分辨率至少为2048×2048。

7.根据权利要求1所述的光学元件激光损伤三维测量装置，其特征在于，所述平移台(16)为电控平移台。

8.一种光学元件激光损伤三维测量方法，其特征在于，所述方法将待测光学元件视为由若干层“光学切片”组成，其中每层“光学切片”在光轴方向有着相同的深度，且同时具有均匀的折射率和强度透过率，所述方法基于权利要求1-7任一所述的光学元件激光损伤三维测量装置，通过将待测光学元件固定在所述平移台(16)上进行等间距移动获取到每层“光学切片”的复振幅信息，根据各层“光学切片”的复振幅信息得到所述待测光学元件的激光损伤三维分布。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：打开所述激光器(1)，待测光学元件固定在所述平移台(16)上，所述平移台(16)在平面内沿着一维方向等间距移动N次，N为奇数，所述成像设备(8)记录相对应的一组全息干涉图，强度标记为I(x,y；n)，n＝1,2,…N；其中，x和y表示第n次移动后所述成像设备(8)采集的干涉图的空间坐标分布；每次等间距移动的距离固定为所述成像设备(8)的最小像素单元；

步骤2：对全息干涉图进行傅里叶变换，

表示对I(x,y；n)进行傅里叶变换，f_In为傅里叶变换后的频谱，包含+1级频谱f_In1和-1级频谱f_In2；

步骤3：设定一个零矩阵f_Inc，矩阵大小与f_In相同，将+1级频谱f_In1从f_In中取出，在f_Inc中心区域范围大小与f_In1相同的区域用f_In1替代，得到更新的频谱矩阵f’_Inc；

步骤4：所述更新的频谱矩阵f’_Inc传输距离d到待测光学元件表面，得到待测光学元件表面的反射光复振幅分布为

表示对f’_Inc衍射传输距离d；

步骤5：将待测光学元件替换成平面反射镜固定在所述的平移台(16)上，所述的成像设备(8)记录一幅全息干涉图，强度标记为I_illu(x,y)；

步骤6：采用跟步骤2至步骤4相同的方法得到照明光的复振幅分布，作为待测光学元件表面的照明光复振幅分布标记为E_{illu_1}(x,y)；

步骤7：将步骤6中得到的照明光复振幅E_{illu_1}(x,y)衍射传输距离k*Δz，得到光学元件第k层的照明光复振幅分布为

Δz表示相邻“光学切片”的距离；

步骤8：去除待测光学元件表面复振幅分布E(x,y；n)在光学元件第k层的照明光，得到R(x,y；n)＝E(x,y；n)/E_{illu_k}(x,y)；

步骤9：以R(x,y；(N+1)/2)的复振幅为基准区域，将R(x,y；n)沿着一维方向平移((N+1)/2-n)个像素得到R’(x,y；n)，从而保证R’(x,y；n)对应待测光学元件的同一区域；

步骤10：将R’(x,y；n)进行累加求和，得到待测光学元件第k层的复振幅信息为

步骤11：重复步骤7至步骤10获取待测光学元件每一层的复振幅信息，进而得到待测光学元件在不同深度的成像结果，获得待测光学元件激光损伤的三维分布。

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